Одна из особенно неприятных задач заключается в одновременном наблюдении всех молекул в образце неповрежденной ткани, вплоть до уровня отдельных клеток. Обнаружение местоположения сотен или тысяч биомолекул - от липидов до метаболитов и белков - в их естественной среде позволяет исследователям лучше понять их функции и взаимодействия. К сожалению, у ученых нет отличных инструментов для выполнения этой задачи.

Методы визуализации, включая большинство видов микроскопии, позволяют получить представление о молекулах внутри клеток. Но они могут отслеживать только избранную горстку молекул одновременно, и они не могут обнаружить все типы биомолекул, включая некоторые липиды. Другие методы, такие как обычная масс-спектрометрия, позволяют обнаружить сотни молекул, но не работают с неповрежденными образцами, поэтому исследователи не могут увидеть, как ориентированы биомолекулы.

Один многообещающий метод - масс-спектрометрическая визуализация - позволяет преодолеть некоторые из этих проблем. Это позволяет исследователям одновременно видеть сотни молекул в неповрежденных тканях. Однако он не обладает достаточно высоким разрешением, чтобы обеспечить обнаружение на уровне отдельной ячейки.

Это была проблема, с которой столкнулась старший руководитель группы Джанелии Мэн Ван. Ван и ее команда изучают фундаментальные механизмы, лежащие в основе старения и долголетия, и они хотели обнаружить множество различных биомолекул в неповрежденных тканях, чтобы понять, как компоненты изменяются с возрастом тканей.

"Знание того, какие молекулы находятся в каждом конкретном месте и что находится в соседних клетках, очень важно для решения любого биологического вопроса", - говорит Ван.

К счастью, лаборатория Вана находится дальше по коридору от главного научного сотрудника Джанелии Пола Тиллберга. Будучи аспирантом Массачусетского технологического института, Тиллберг совместно изобрел метод, называемый расширительной микроскопией. В методе используется набухающий гидрогелевый материал для равномерного расширения образцов во всех направлениях до такой степени, что мелкие детали, такие как структура суборганелл, могут быть обнаружены с помощью обычного микроскопа.

Сейчас, спустя десять лет, процесс расширения применяется к другим методам, выходящим за рамки традиционной микроскопии. Ванг, Тиллберг и их коллеги из Джанелии и Университета Висконсин-Мэдисон хотели посмотреть, смогут ли они использовать расширение для преодоления проблемы пространственного разрешения изображений масс-спектрометрии.

Результатом является новый метод, который позволяет постепенно расширять образцы тканей без необходимости их разрушения на молекулярном уровне, как это происходит в первоначальном процессе расширения. Расширяя интактные образцы во всех направлениях, исследователи могут использовать масс-спектрометрическую визуализацию для одновременного обнаружения сотен молекул на уровне отдельных клеток в их родных местах.

"Это позволяет вам непредвзято взглянуть на молекулярное пространство, и мы пытаемся приблизить его к тому, что может сделать микроскопия с точки зрения пространственного разрешения", - говорит Тиллберг.

Команда использовала новую технику для определения специфических пространственных структур малых молекул в различных слоях мозжечка. Они обнаружили, что эти молекулы, включая липиды, пептиды, белки, метаболиты и гликаны, распределены неравномерно, как считалось ранее. Более того, они обнаружили, что каждый конкретный слой мозжечка имеет свой собственный набор липидов, метаболитов и белков.

Команда также смогла обнаружить биомолекулы в почках, поджелудочной железе и опухолевых тканях, продемонстрировав, что метод может быть адаптирован для многих различных типов тканей. В опухолевых тканях они смогли визуализировать большие вариации биомолекул, что могло бы быть полезно для понимания молекулярных механизмов опухолей и потенциально помочь в разработке лекарств.

"Когда вы сможете увидеть эти биомолекулы, тогда вы сможете начать понимать, почему у них такие структуры и как это связано с функционированием", - говорит Ван. Она считает, что новая технология позволит исследователям отслеживать эти закономерности во время развития, старения и болезней, чтобы понять, как различные молекулы способствуют этим процессам.

Поскольку новый метод не требует добавления аппаратного обеспечения к существующей системе получения изображений массового спектра, а метод расширения относительно прост в освоении, команда надеется, что он будет использоваться многими лабораториями по всему миру. Они также надеются, что новая методика сделает масс-спектрометрическую визуализацию более полезным инструментом для биологов, и подготовили подробное описание нового метода и план его адаптации к другим типам тканей.

"Мы хотели разработать что-то, что не требовало бы специализированных инструментов или процедур, но могло бы быть широко распространено", - говорит Ван.